مطالعه عددي و تحليل حساسيت در مبادله كن‌هاي گرمايي لوله‌اي داراي حلقه‌هاي مخروطي سوراخ‌دار حامل نانوسيال آب- اكسيد آلومينيوم

Numerical Study and Sensitivity Analysis in Tubular Heat Exchangers with Perforated Conical Rings Carrying Water-Aluminum Oxide Nanofluid

در اين مقاله، رفتار هيدروديناميكي و انتقال حرارت جريان آشفته نانوسيال در يك مبادله كن مجهز به حلقه‌هاي مخروطي سوراخ‌دار به‌صورت عددي شبيه‌سازي شده است. سيال پايه آب و نانوذرات اكسيد آلومينيوم با درصد وزني صفر تا 5 درصد به عنوان نانوذرات افزايش دهنده انتقال گرما در نظر گرفته شده است. معادلات حاكم با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي به كمك نرم‌افزار انسيس - فلوئنت و در محدوده عدد رينولدز 12000-2000 حل شده است. پس از صحت‌سنجي روش حل عددي با نتايج تجربي موجود، تأثير پارامترهاي هندسي و مشخصات جريان مانند عدد رينولدز، تعداد حلقه‌هاي مورد استفاده، تعداد سوراخ‌هاي مورد استفاده و كسر حجمي نانوذرات بر مشخصات انتقال گرماي مبادله كن گرمايي مطالعه شده است. نتايج نشان مي‌دهد، استفاده از حلقه‌هاي مخروطي سوراخ‌دار تأثير قابل ملاحظه‌اي بر بهبود انتقال گرما در مبادله كن‌هاي گرمايي دارد و اين روش مي‌تواند در كاربردهاي عملي مورد استفاده قرار گيرد. نتايج نشان مي‌دهد با افزايش تعداد حلقه‌هاي مخروطي، كاهش تعداد سوراخ‌هاي آن و بيشتر شدن كسر وزني نانوذرات، عدد ناسلت و ضريب اصطكاك افزايش مي‌يابد. بر اساس نتايج مشاهده مي‌شود كه حلقه مخروطي ارائه شده مي‌تواند عدد ناسلت متوسط را 5/3 برابر نسبت به لوله بدون حلقه افزايش دهد. علاوه بر اين، نانوذرات اكسيد آلومينيوم نيز تأثير مطلوبي بر افزايش انتقال گرما داشته و با افزايش كسر حجمي نانوذرات اكسيد آلومينيوم از صفر درصد تا 5 درصد، عدد ناسلت به ازاي يك حلقه مخروطي داراي سه سوراخ بر روي آن در حدود 92 درصد افزايش در عدد ناسلت مشاهده شده است.‌

In this paper, the hydrodynamic behavior and heat transfer of a nanofluid turbulent flow in an exchanger equipped with perforated conical rings are simulated numerically. Water-based fluid and Al2O3 nanoparticles with a weight percentage of zero to 5% are considered as nanoparticles that increase heat transfer. The governing equations are solved using the computational fluid dynamics method with the help of ANSYS-Fluent software in the range of Reynolds 12000-2000. After validation of the numerical solution method with the available experimental results, the effect of geometric parameters and flow characteristics such as Reynolds number, number of rings used, number of holes used and volume fraction of nanoparticles on the heat transfer characteristics of the heat exchanger have been studied. The results show that the use of perforated conical rings has a significant effect on improving heat transfer in heat exchangers and this method can be used in practical applications. The results show that with increasing the number of conical rings, decreasing the number of holes, and increasing the weight fraction of nanoparticles, the Nusselt number and the coefficient of friction increase. Based on the results, it can be seen that the proposed loop can increase the Nusselt number by 5.3 times compared to the tube without the loop. In addition, Al2O3 nanoparticles have a favorable effect on increasing heat transfer and with increasing the volume fraction of Al2O3 nanoparticles from zero to 5%, Nusselt number per m = 1 and n = 3 about 92% increase in Nusselt number has been observed.